商黎荣 高飞 俞根明

摘 要：由于环境中的电磁干扰，卫星导航系统的抗干扰能力成为判断其有效性的重要指标。基于天线阵列，采用自适应导航干扰防护技术，这类天线存在孔径大的缺点。为解决导航系统中接收机易受干扰的问题，本文研究抗干扰天线阵。基于电磁波干扰的天线阵模型的性质，研究了基于天线理论的阵列微型化设计。比较目前的抗干扰导航技术，分析了相关理论和天线阵的辐射特性，结合干扰原理，研究了小型化抗干扰技术，为天线设计的小型化提供一定的参考。

关键词：小型化抗干扰;导航天线;研究

中图分类号：TN82 文献标识码：A

卫星导航系统为各种天气条件下提供高精度的时间和空速等信息，卫星导航系统的应用对于国家机关事业的运作安全具有重要的意义。卫星导航系统由于接收机信号功率很低，在设备运行中对信号较为敏感，自适应干扰抑制已成为导航接收机不可或缺的功能。随着我国科学技术无线电工程的发展，各种电子设备得到了高效的使用和集成，接收机应尽可能做到小而轻。在自适应干扰保护中，增加天线数量有利于抑制更多干扰信号。因此，进一步研究小型化抗干扰导航天线，以在有限的空间内容纳更多的元件。

1 极化域抗干扰导航天线技术应用

1.1 抗干扰导航天线设计

随着科学技术和导航系统的发展，各种导航天线不断涌现。为提高接收机的抗噪能力，多频导航天线可防止极化场干扰。多频抗干扰极化天线的应用实现了多频谐振，频率覆盖GPS和北斗卫星，在使用中可以接收多个导航信号。当某个频段故障时，其他系统可以不受故障设备的影响，仍然提供导航定位，天线可以抑制极化干扰。因此，可以有效地提高导航适应性。导航天线结构紧凑，满足小型化的使用要求。分析极化场抗干扰功能的导航天线的设计，全面了解它的性能及其抗极化场干扰。支持同时接收导航频率的信号，满足多频导航天线要求，简化天线的复杂度和减小体积。根据卫星导航天线型号和性能要求，构建在极化场具有抗噪的导航天线，多层结构天线可以满足要求。得益于非金属外壳的设计，优化天线模型，提高了不同堆叠的绝缘性。通过短路触点的设计，长同轴触点感抗降低，多个堆叠绝缘得到改善[1]。

1.2 抗干扰性能

极化区多频抗干扰天线提高抗干扰导航接收机的性能。在多个频段谐振，可以有效地覆盖多个系统，以此来实现频率分集的最佳使用效果。天线双圆极化激励，实现干扰的自适应衰减。对于现代导航系统，接收到的信号是右旋圓极化波，抗干扰的天线利用圆极化区分信号和干扰。右激励接收卫星信号，左圆极化激励接收不包含有用信号。通过调整天线左圆极化中干扰的幅度来达到抑制干扰，使右圆极化干扰反相叠加。对于极化电磁波的实际工作中，垂直和水平极化分解来自正交的极化分量，以此来确定极化角来表征信号的特性。理想情况下，信号为右旋圆极化波，天线也具有右旋圆极化，接收天线的极化与入射角有关，水平方向的极化特性较弱。对于小角度卫星导航信号，接收天线与信号通常存在极化失配，分析导航信号和天线的极化，分析极化失配对干扰保护影响。在实际应用中，天线的双极化分量并不完全正交，确定双极化天线的极化角，分析天线极化不正交引起的误差。由于导航信号为右旋圆极化波，右旋信道作为参考信道，对不同极化输入干扰信号进行仿真，极化区抗干扰天线可抑制干扰。信号与天线的主极化有偏差，双极化不完全正交。因此，在使用的理想条件下，子天线具有理想极化，对于天线的主极化右旋圆极化，天线的辅助极化为左旋圆极化。当极化角为45度时，右旋圆极化电磁波，当干扰偏振角为45度时，干扰和信号具有相同的偏振模，主极化和辅助极化无法有效地进行识别干扰。因此，如果干扰极化为-45度时，主极化此时可以与电磁波发生正交，主极化不包含干扰，不需要抗干扰和信号，噪声也非常小。当极化为线极化波时，去除干扰后信噪增益达到最大值，双极化天线达到最大的干扰防护效果。由于线极化的干扰，左右圆极化天线的功率等于干扰的一半，噪声功率抵消后，噪声功率叠加。当干扰为线极化电磁波时，信噪比比输入噪声比低。当干扰接近噪声功率时，将平衡噪声和干扰抑制对信噪比的影响。存在主极化与信号的极化不一致的情况，微带天线圆极化轴的比值较弱，偶极子天线的抗干扰与理想情况略有不同。在理想情况下，当电磁波的极化角为-45度时，由于主极极化陡峭，认为它是左圆极化，天线的主要极化成分不含干扰，对应的信噪比小。因此，如果干扰与信号的极化匹配，此时的偶极子天线无法全面地识别有效的信号和其他干扰，同时信噪比趋于零。在实际应用中还存在普遍的情况，即双极化天线极化正交不理想。当电磁干扰波方向与主极化垂直时，主极化分量不受阻碍，当有用信号与电磁波相同时，会发生抑制错误。在仿真分析下，偶极天线可以提高系统的抗干扰能力。对于噪声比大的线极化噪声干扰，双极化天线达到保护抗干扰的效果[2]。

2 容性加载小型化导航天线

2.1 容性加载导航天线设计

导航系统接收机接收更多信号，以此来实现快速准确定位。基于卫星位置不断变化，接收端圆极化天线的轴比对极化匹配的特性有很大的影响。为了在小型化中增加轴比波瓣的宽度，将两对电偶极子放置在方形结构中，保持极子距离近似。为了缩小天线尺寸，用弯曲电偶极子代替线性极子，缩小天线的设计尺寸，扩大轴比波瓣。为了解决天线存在的双向辐射问题，需要用等效极子代替电偶极子，引入加载等效磁偶极子，以实现轴比宽度的小型化和扩展。通过制作矩形槽来增加路径，实现小型化，并在相同尺寸下将频率降低。为了进一步将天线频率降低，天线优化了负载通信线路的闭合，采用电容T型短路，将天线的频率降低，减小了天线的尺寸。尽管天线尺寸较小，但在范围内天线的增益仍超过3.4dB，在范围内的辐射效率超过72%，满足了天线轴比要求。紧凑型圆极化天线满足系统对接收天线的要求[3]。天线阻抗带宽可以覆盖工作频率范围，具有良好的通信特性。

2.2 抗干扰导航天线阵列

由于导航信号地表微弱，并且比接收机噪声还要低，复杂电磁环境中射频干扰信号的电平要比导航信号高得多。在强干扰和弱信号环境下，容易出现误检测，需要采用有效的抗干扰技术。为测试小型导航天线在干扰抑制中的应用，以天线为单元组成阵列，结合自适应干扰，将设计的天线转化为圆形点阵，分别是均匀分布。由于天线采用了导航天线的微型设计，天线阵列的尺寸很小，抗干扰格栅的效果会降低。在干扰防护中，天线阵列包含阵列元素，假设阵列的所有元素同质，阵列元件都连接到接收通道、信号降频转换和滤波，以此来得到二次分量。自适应干扰技术是根据接收信号序列的二次统计特性，计算出最优序列向量，使序列适应干扰，以确保接收到所需信号。该算法选择最佳权重，最小化阵列避免向量的权重添加一定的限制。应用信号失真，基于建模将天线单元模型引入。建模时采用全波建模，仿真的定向模型在干扰方向都产生零，阵列模型深度相比，结果通常具有一致性，差异主要是由于阵列之间的关系，阵列模型在导航信号方向增益仅比最大增益小，因天线阵列能够抑制干扰信号[4]。84FD1F7B-10CA-48F5-B4BD-8A446B8D99D8

3 耐高温导航天线

3.1 耐高温导航天线设计

多频导航天线极化干扰会在极化区产生干扰，防止抗干扰受天线极化特性的限制，为了提高天线的抗噪效率，阵列常用于抗干扰领域，利用天线阵列特性，实现空间滤波的效果。结合导航系统的特点生成天线阵列约束条件，宽波束图的形成作为自适应参考波束，以便信号的正常接收。自适应干扰适应的干扰量受阵元数量的限制。使用天线抑制干扰，分析对零模式影响，以及抑制对干扰的影响，找到合适的阵列结构，使零点时阵列模型的零域变小，提供卫星信号接收。当天线阵小型化时，对阵元空间进行压缩，分析由此引起的径宽度的曲率程度。阵列单元块的工作频率覆盖了系统频点，每个单元接收电磁信号，通过射频转换为数字信号。信号处理利用阵列单元接信号的相关性评估信息。信号处理根据信号方向和干扰方向，产生数字波束以增加信号的功率，并在干扰设置零点以抑制干扰。由于在高速飞行时摩擦会产生高温，天线必须在400℃下长期工作，导航系统采用耐高温天线。耐高温导航天线确保可在400℃下正常运行，满足高速飞行器环境要求，保证天线结构在高温下的稳定性，保证电气特性能适应温度变化，减少天线对飞行器动力学的影响，设计应具易于着陆的特性，微带天线可以满足要求，因此应用广泛。制造微带天线在介质基板上安装天线块和馈线网，要选择表面光滑的基材，在对基材进行粗磨精磨后镀上金属铬，再通过蒸发镀上金属膜，金属膜使用铜或银，根据天线设计对金属薄膜光电镀。根据天线设计模型制作底图，根据底图使用电阻制作电阻的模型，选择合适的蚀刻速度，完成整个过程。对于天线在400℃等环境下，由于铜板和介质板铜箔热膨胀系数不同，内应力会不断增大，造成铜箔弯曲甚至脱落，金属膜与介质基板附着力明显降低。高温天线要解决的问题是改进基础构件的生产制造工艺，提高天线的对高温的有效自适应性。由于基板特性在温度下不是静态的，相关材料会随着温度升高，基板会降低天线的实践使用特性。随着环境温度升高，基板的介电常数增大，损耗角正切增大。微带天线谐振点随着温度的升高而降低，分析天线谐振频率和损耗角正切之间的关系，天线带宽随着温度的升高而降低。温度变化对天线形状影响很小，温度的变化会扭曲圆极化轴的比率。微晶玻璃和石英陶瓷参数随温度的变化而变化，介电常数正切随温度的不断升高而继续增加。因此，在具体的设计小型化天线时，对于相关的参数指标需要有足够的设计余量，以此来有效保证相关构件可以正常地在工作温度范围内使用。耐高温天线针对高温对天线的影响，天线基材采用耐高温陶瓷材料，底座采用不锈钢材料，提高耐高温性，可以承受1000℃的高温而不会损坏。加工组装不需要焊接，材料和底座以电源点为基础，用螺钉固定，以确保组件在高温下可靠的电气连接，线输出使用反极性连接器。对于小型化天线设计需要考虑宽带、短路结构和平衡温度对天线功能使用性能的正常影响。基材低介电陶瓷基板在天线设计中的合理使用，可以有效地扩大天线的使用带宽，科学地保证带宽在特定温度环境下的余量。降低同轴电源触点的电感，实现阻抗匹配特性。预调耐高温天线，消除温度升高导致谐振点频率降低的影响。导航天线提供右圆极化，覆盖上半球空域，卫星导航高温稳定阵列，每个单元独立接收GPS频率范围的信号。天线由陶瓷整流罩、金属固件，散热器由微晶陶瓷制成，介电损耗具有良好的透波性能。扣件由顶层和底层组成，顶层代表外部框架，用于固定整流罩，底层是阵列基础，内置圆形凹槽，凹槽填充耐高温材料，外金属框架的导热。贴片由陶瓷基板、焊盘、电源引脚组成。锁定销连接到电源触点，达到阻抗匹配特性。使用对角线截面的方法来实现圆偏振，通过外部同轴电缆连接，阵列天线由微带线组成，围绕天线阵列对称分布。由于加工和组装精度误差，物理测试的諧振频率与仿真不同。在边缘的中间增加了可调设计，以调整物理引起的谐振频率偏差。微带天线的缝隙根据测得的谐振频率调整。锁销放置在微带线中间，将陶瓷基板固定在底座上，降低电源引脚的电感，获得阻抗匹配特性。切割微带贴片相对角激发正确的圆极化，电源位置在天线正下方时，小心切割天线的左下角，激发出右圆极化波[5]。

3.2 阵列天线抗干扰性能

对于导航天线阵列信号处理器接收来自不同部分的信号，在实际使用中具有提取信号的特征，并可以有效地评估信道参数。通过参数和其他相关数据，调整阵列幅特性，使信号满足叠加，提高信号的信噪比，相应的障碍物被去除，达到抑制的效果。天线阵列滤波效率是阵列的空间拓扑结构，是天线阵列的限制因素，决定了对空间信息的响应。线性阵列区分角度分量，空间响应具有不确定性。平面阵列在使用中具有分量的分辨率，同时对于不同平面分辨率在具体过程中也大不相同。因此，在设计过程，需要合理地确定阵列拓扑，权重决定了响应特性。阵列的权重调整波束方向。在自适应干扰保护中，调整阵列的权重，使零点与阵列方向重合。在卫星导航系统抗干扰中，阵列响应在其他方向正常接收信号。为了测量指标，阵列模型保留带宽，宽度定义为阵列增益响应角区宽度。当阵列模型零点设置时，延迟区域的宽度是关键参数。阵列对不同的信号响应存在差异。在不同方向设置零点时，常用阵列结构区域宽度存在差异。在不同的方向进行调整，角宽推力带内不同振动最小点阵为零。六边形和最大波动在阵列中，由于阵列中心对称旋转，保留带角场宽度也有周期性变化。阵列具有轴对称性，对不同输入波的响应不变。六边形阵列是对称的，保留带的角场宽度也会定期变化。因此，六边形和圆形振荡非常小，适用于自适应抗干扰应用[6]。

结语

综上所述，针对小型天线导航系统对干扰的需求，缩小天线的小型化，并改善轴比波瓣。在小型天线的基础上构建天线阵列，利用干扰预防得到最优阵列，证明了小型圆极化天线的天线阵列在干扰防护系统中可以抑制干扰信号。

参考文献：

[1]鲁祖坤.卫星导航天线阵抗干扰关键技术研究[D].国防科技大学，2018.

[2]肖砷宇.北斗抗干扰卫星导航天线系统的设计实现[D].西安电子科技大学，2018.

[3]戴鑫志.卫星导航天线阵抗干扰偏差分析及无偏算法研究[D].国防科技大学，2017.

[4]唐洪军.SOP算法在抗干扰卫星导航天线中的应用[J].电子科技，2017，30（05）：120-123.

[5]陈飞强，聂俊伟，苏映雪，王飞雪.载波相位辅助的卫星导航天线阵抗干扰算法[J].国防科技大学学报，2015，37（06）：69-73+83.

[6]黄东.北斗导航天线阵列自适应处理的研究和实现[D].南京理工大学，2015.

作者简介：商黎荣（1982— ），男，汉族，浙江嘉兴人，本科，工程师，研究方向：电子器件、信号处理。84FD1F7B-10CA-48F5-B4BD-8A446B8D99D8